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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Heizen eines Energiespeichersystems mit mindestens einem elektrochemischen Energiespeicher, einem Verfahren zum Heizen eines Energiespeichersystems, einem elektrochemischen Energiespeichersystem sowie einer Verwendung einer Vorrichtung zum Heizen eines Energiespeichersystems gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Aus dem Dokument
US 2014 268 959 A1 ist bidirektionaler Leistungswandler bekannt, der in einem Elektrofahrzeug verwendet werden kann, um eine Wechselstrom-Gleichstrom-Leistungsumwandlung durchzuführen, um die Batterie des Elektrofahrzeugs zu laden, und um eine Gleichstrom-zu-Wechselstrom-Leistungsumwandlung durchzuführen, um Leistung zu exportieren, um externe elektrische Lasten zu betreiben.
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Aus dem Dokument
US 2014 300 194 A1 ist eine Gleichspannungsquelle, umfassend erste elektrochemische Zellen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind; einen DC/DC-Wandler, wobei der Ausgang des Wandlers mit den ersten elektrochemischen Zellen in Reihe geschaltet ist, wobei eine sekundäre Gleichspannungsquelle ihre Potentialdifferenz an den Eingang des Wandlers anlegt, bekannt.
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Weiter gibt derzeit Wärmepads, um sich bei kalten Temperaturen unterwegs aufwärmen zu können, auf chemischer Basis, die entweder nur einmalig funktionieren oder umständlich weder regeneriert werden müssen oder elektrische Heizungen, in denen die Heizenergie in elektrischen Heizlasten erzeugt wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heizen eines Energiespeichersystems mit mindestens einem elektrochemischen Energiespeicher weist demgegenüber den Vorteil auf, dass
- - ein erster Anschlusspunkt mittels einer ersten Spule mit einem ersten Knotenpunkt elektrisch verbunden ist; und
- - der erste Knotenpunkt mittels eines ersten Schalters mit einem zweiten Anschlusspunkt elektrisch verbindbar ist; und
- - der erste Knotenpunkt mittels eines zweiten Schalters mit einem zweiten Knotenpunkt elektrisch verbindbar ist, wobei der zweite Knotenpunkt mittels eines ersten Kondensators mit dem zweiten Anschlusspunkt elektrisch verbunden ist; und
- - der zweite Anschlusspunkt mit einem dritten Anschlusspunkt elektrisch verbunden ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine Nutzung des elektrochemischen Energiespeichers, beispielsweise eine Batteriezelle oder ein Batteriepack, zusätzlich auch als Wärmequelle. Dadurch können Energiespeichersysteme günstiger hergestellt werden, weil kein Heizelement in einer Temperierungsvorrichtung für das Energiespeichersystem benötigt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Prinzip können elektrochemische Energiespeicher von Smartphones, Tablets, Taschenlampen und Powerbanks auch als mobiles Handaufwärmungsgerät genutzt werden. Taschenlampen und Powerbanks können einen separaten Heizknopf aufweisen. Eine optische Ausgabe über einen aktuellen Energieverbrauch der Vorrichtung, beispielsweise eine Angabe darüber wieviel Ladezustand (SOC) während einer Heizdauer von 5 min verbraucht wird, kann ebenfalls vorgesehen werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erste ist Knotenpunkt mittels einer Diode in Durchlassrichtung mit einem vierten Anschlusspunkt elektrisch verbunden.
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Der dritte Anschlusspunkt ist mittels eines zweiten Kondensators mit dem vierten Anschlusspunkt elektrisch verbunden.
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Der erste Schalter und der zweite Schalter weisen eine entgegengesetzte Stromrichtung auf.
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Zwischen dem vierten Anschlusspunkt und mindestens einem Anschlusspol des Energiespeichersystems ist ein Schaltelement angeordnet.
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Das mindestens eine Schaltelement umfasst ein Relais, einen Halbleiterschalter und/oder eine Vorladeschaltung.
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Ein erfindungsgemäße Verfahren zum Heizen eines Energiespeichersystems umfasst folgende Verfahrensschritte:
- a) eine erste Phase, in welcher der erste Schalter geöffnet ist und der zweite Schalter geschlossen ist, wodurch ein elektrischer Strom durch den elektrochemischen Energiespeicher, die erste Spule und den ersten Schalter fließt und Energie in der ersten Spule gespeichert wird;
- b) eine zweite Phase, in welcher der erste Schalter und der zweite Schalter geöffnet sind, wodurch ein elektrischer Strom durch den elektrochemischen Energiespeicher, die erste Spule, den zweiten Schalter und den ersten Kondensator fließt und die in der ersten Spule gespeicherte Energie in den ersten Kondensator umgeladen wird;
- c) eine dritte Phase, in welcher der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter geöffnet ist, wodurch ein elektrischer Strom durch den elektrochemischen Energiespeicher, den ersten Kondensator, den zweiten Schalter und die erste Spule fließt und die in dem ersten Kondensator gespeicherte Energie in den elektrochemischen Energiespeicher umgeladen und der elektrochemische Energiespeicher erwärmt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wiederholen sich die Phasen zyklisch.
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Ein erfindungsgemäßes elektrochemisches Energiespeichersystem umfassend mindestens einen elektrochemischen Energiespeicher sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heizen weist demgegenüber den Vorteil auf, dass
- - ein positiver Pol des elektrochemischen Energiespeichers mit einem ersten Anschlusspunkt der Vorrichtung zum Heizen; und
- - ein negativer Pol des elektrochemischen Energiespeichers mit einem zweiten Anschlusspunkt der Vorrichtung zum Heizen; und
- - ein erster Anschlusspol des elektrochemischen Energiespeichersystems mit einem vierten Anschlusspunkt der Vorrichtung zum Heizen; und
- - ein zweiter Anschlusspol des elektrochemischen Energiespeichersystems mit einem dritten Anschlusspunkt der Vorrichtung zum Heizen elektrisch verbunden ist.
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Dadurch kann der elektrochemische Energiespeicher vorteilhafterweise zum Heizen des Energiespeichersystems genutzt werden, beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 40 und 50°C, welche für einen elektrochemischen Energiespeicher nicht schädlich ist. Fern kann die Temperatur mittels eines Temperatursensors erfasst und/oder über die Erhöhung eines Innenwiderstands des elektrochemischen Energiespeichers geschätzt werden.
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Vorteilhafterweise findet eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Heizen Verwendung in Energiespeichersystemen für Elektrofahrzeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Luftfahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Handwärmer, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Energie.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystems;
- 2a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Phase;
- 2b eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Phase;
- 2c eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dritten Phase.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Energiespeichersystems 101. Das elektrochemische Energiespeichersystem 101 umfasst eine Mehrzahl von elektrochemischen Energiespeichern 110 sowie einen ersten Anschlusspol 115 und einen zweiten Anschlusspol 116.
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Eine Vorrichtung 100 zum Heizen des Energiespeichersystems 101 umfasst einen ersten Anschlusspunkt 111, welche mit einem positiven Pol des elektrochemischen Energiespeichers 110 elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Anschlusspunkt 112, welcher mit einem negativen Pol des elektrochemischen Energiespeichers 110 verbunden ist. Ferner umfasst die Vorrichtung 100 zum Heizen des Energiespeichersystems 101 einen dritten Anschlusspunkt 113, welcher mit dem zweiten Anschlusspol 116 elektrisch verbunden ist, und einen vierten Anschlusspunkt 114, welcher mittels eines Schaltelements 109 mit dem ersten Anschlusspol 115 elektrisch verbunden ist.
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Der erste Anschlusspunkt 111 ist mittels einer ersten Spule 102 mit einem ersten Knotenpunkt K1 elektrisch verbunden. Der erste Knotenpunkt K1 ist mittels einer zweiten Spule 104 mit einem dritten Knotenpunkt K3 elektrisch verbunden. Der dritte Knotenpunkt K3 ist mittels eines ersten Schalters 103 mit dem zweiten Anschlusspunkt 112 elektrisch verbindbar ist.
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Ferner ist der dritte Knotenpunkt K3 mittels eines zweiten Schalters 105 mit einem zweiten Knotenpunkt K2 elektrisch verbindbar, wobei der zweite Knotenpunkt K2 mittels eines ersten Kondensators 106 mit dem zweiten Anschlusspunkt 112 elektrisch verbunden ist. Der erste Schalter 103 und der zweite Schalter 105 weisen eine entgegengesetzte Stromrichtung auf.
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Weiter ist der der zweite Anschlusspunkt 112 mit dem dritten Anschlusspunkt 113 elektrisch verbunden.
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Der erste Knotenpunkt K1 ist mittels einer Diode 107 in Durchlassrichtung mit dem vierten Anschlusspunkt 114 elektrisch verbunden. Die Diode 107 ist notwendig, um Rückflüsse in einem Kurzschluss durch den ersten Schalter 103 zu unterbinden. Nach der Diode 107, in Richtung weiterer Peripherie, können je nach Dimensionierung der Bauteile und/oder der Ansteuerung Spannungserhöhungen auftreten.
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Der dritte Anschlusspunkt 113 ist mittels eines zweiten Kondensators 108 mit dem vierten Anschlusspunkt 114 elektrisch verbunden. Der zweite Kondensator 108 glättet mögliche Spannungssprünge, die nach der ersten Spule 102 entstehen. Gleichzeit stellt der zweite Kondensator 108 genügend Energie bereit, um das Energiespeichersystem während einer ersten Phase mit Energie zu versorgen, da nach der ersten Spule 102 die elektrische Spannung auf nahezu 0V absinkt.
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Ferner ist zwischen dem vierten Anschlusspunkt 114 und dem ersten Anschlusspol 115 des Energiespeichersystems 101 ein Schaltelement 109 angeordnet, welches in der dargestellten Ausführungsform einen Trennschalter und eine Vorladeschaltung, beispielsweise wenn eine Kapazität des ersten Kondensator 106 groß ist, umfasst. Wird dies in einer vorteilhaften Ausführungsform durch einen im linearem Betrieb angesteuerten MOSFET, der bei erfolgter Vorladung komplett durchschaltet, realisiert, kann dieser im Falle eines Durchlegieren des ersten Schalters 103 auch als redundanter Abschaltpfad verwendet werden, um im Fehlerfall einen dauerhaften Kurzschluss des elektrischen Energiespeichers 110 zu unterbinden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann auch auf einen Trennschalter in dem Schaltelement 109 verzichtet werden und direkt ein Gleichspannungswandler für eine Versorgung von Funktionen eines elektrischen Verbrauchers genutzt werden.
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Die Knotenpunkte zeigen Anschlusspunkte für eine Ladung des elektrochemischen Energiespeicher 110. Hierzu kann ein Laderegler, beispielsweise ein Gleichspannungswandler elektrisch verbunden werden und sichergestellt werden, dass vor einem Ladevorgang keine Spannungserhöhung gegenüber einer elektrischen Spannung des elektrochemischen Energiespeichers 110 vorliegt.
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Normalerweise liegt die elektrische Spannung des ersten Kondensators 106 während eines normalen Betriebs auf demselben Spannungsniveau wie das des elektrochemischen Energiespeichers 110. Während eines Heizvorgangs liegt die elektrische Spannung an dem ersten Kondensator 106 über der Zellspannung.
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Durch die parallele Topologie kann vorteilhafterweise der elektrochemische Energiespeicher 110 geheizt werden, während das restliche Energiespeichersystem 101 aktiv ist.
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Wird die Vorrichtung 100 zum Heizen eines Energiespeichersystems 101 für eine reine Funktion eines Handwärmer verwendet, sind die Diode 107, das Schaltelement 109, der vierte Anschlusspunkt sowie der zweite Kondensator 108 nicht zwingend erforderlich.
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2a zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 200 in einer ersten Phase. Der erste Schalter 103 ist geöffnet, der zweite Schalter 105geschlossen. Dadurch fließt ein elektrischer Strom 203 durch die erste Spule 102 und den ersten Schalter 103. Beim Idealen Hochsetzsteller gilt dabei: U
OCV ≈ U
L und näherungsweise
wobei L
Batt in der gezeigten Darstellung der Induktivität der ersten Spule 102 entspricht. Ein ohmscher Widerstand 201 repräsentiert einen Innenwiderstand des elektrochemischen Energiespeichers 110.
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2b eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 200 in einer zweiten Phase. Der erste Schalter 103 und der zweite Schalter 105 sind geöffnet. Um hohe Verluste zu vermeiden ist hier eine kurze Totzeit zu implementieren, in welcher der erste Schalter 103 und der zweite Schalter 105 zeitgleich aus sind.
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Die erste Spule 102 entlädt ihre gespeicherte Energie in den ersten Kondensator 106. Dadurch fließt ein elektrischer Strom 204 durch den ohmschen Widerstand 201, die erste Induktivität 102, den zweiten Schalter 105 sowie den ersten Kondensator 106.
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2c eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dritten Phase. Der erste Schalter 103 ist geschlossen und der zweite Schalter 105 ist geöffnet, wodurch ein elektrischer Strom 205 in der dritten Phase in umgekehrter Richtung zu der ersten und der zweiten Phase fließt.
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In der dritten Phase wird nun nicht wie bei einem konventionellen Hochsetzsteller die gespeicherte Energie von einem externen Verbraucher aufgenommen, sondern fließt zurück in den elektrochemischen Energiespeicher 110.
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Da während des ganzen Vorgangs ein elektrischer Strom durch den ohmschen Widerstand 201 fließt, erwärmt sich dieser. Durch den getakteten Entlade-Strom und Lade-Strom entsteht ein höherer RMS-Strom, wie bei einer normalen DC-Entladung. Dadurch kann der elektrochemische Energiespeicher 110 effizienter erwärmt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014268959 A1 [0002]
- US 2014300194 A1 [0003]
